关于高精度超声波流量计的设计

    1 超声波流量计系统简介

    时差法超声波流量计的原理是利用超声波在流体中顺流，逆流传播速度变化，引起超声波的传播时间变化，根据这两个时间来测量流速进而计算出流量，具有非接触、高灵敏度的特点。

    在管道的两侧或明渠的两边斜向安装两个换能器，使其轴线重合在一条斜线上，如图1所示。

    测量原理：先测得顺流时由探头A发射的超声波脉冲到达探头B接收的时间t1，再测得由探头B逆流发射超声波脉冲到探头A接收的时间t2，则：

    式中：Dt为随机信号渡越距离为L时所用的时间；

    D为管道直径；

    θ为为声路与流体流向间的夹角；

    C₂为管道内流体流速中声速值；

    u为管道内流体流速。

    只要测出顺流和逆流传播时间t₁和t₂就能求出沿管轴方向的平均流速v，进而得到流量，这种方法避免了求声速C的困难，不受温度的影响，容易得到可靠的数据。流体的流量由公式确定，其中K是流体动力学修正系数。

    2 流量计系统的组成

    本流量计主要分为两部分：流量主机和流量变送器。流量计主机的功能是接受由流量变送器发来的信息，计算流量及积累流量，对流速和流量数据进行可靠性检验及校正，控制流量等信息的显示，打印等，控制键盘操作及流量变送器工作，进行参数存储，掉电检测，并内插丢失数据，进行上电自检及系统定时检查，出错告警等，可同时分别控制八个流量变送器。流量变送器的功能是产生超声波换能器所需的驱动信号，检测换能器接收信号，对信号进行自动增益放大处理，向主机回送测量的超声波传播时间及状态信息。另外流量计主机还可跟微机进行通讯，可通过微机进行报表，图表显示，数据存储，打印，参数设计及提取等。主机跟变送器及微机之间的通讯都是通过串口来进行的。

    3 流量变送器

    流量变送器是流量检测的核心部分。流量计精度的高低和可靠性的好坏都直接与这部分的设计和制作有关，流量变送器的主要功能有：（1）产生超声波传感器发射驱动信号；（2）检测处理接收信号并识别第一个正脉冲信号；（3）进行自动增益控制；（4）计算各声路的传播时间；（5）计算水位换能器的传播时间；（6）向主机回送测量的时间及状态；（7）进行周期性及系统检查；（8）进行各声路之间和水位通道的切换。

    流量变送器的微处理器采用51系列单片机，实现流量变送器的控制功能，包括传感器驱动控制，驱动/接收转换控制，驱动/接收转换控制，A/D和D/A控制，传播时间测量计算，通信控制等；逻辑控制电路和计数器等采用CPLD器件来实现，完成计数和逻辑控制功能。

    流量变送器的微处理器采用51系列单片机，实现流量变送器的控制功能，包括传感器驱动控制，驱动/接收转换控制，驱动/接收转换控制，A/D和D/A控制，传播时间测量计算，通信控制等；逻辑控制电路、计时电路、计时输出控制电路及译码电路采用CPLD器件来实现。

    4 基于CPLD的高精度计数器

    流量变送器的计时电路是用来计超声波在液体中的传播时间的，采用CPLD来实现，CPLD内部计时电路是利用较低频率的时钟通过逻辑分析实现倍频从而设计出高精度计数器，提高了计时电路的精度。普通的TTL集成电路计数器，即使是最快的F系列，最高频率为90M，一般无法满足精确测量的要求，假如采用TTL分立元件来实现计数器电路，由于分布参数的影响和各元件之间的时序配合，其允许最高工作频率会有所下降，这在有关的实验中已经证明采用TTL分立元件来实现高精度的计时是行不通的。

    理论分析

    由于测量超声波的传播时间误差要求在7ns以内，本设计中采用80MHz时钟设计出160MHz的24位计数器。具体分析如下：

    基准时钟

    80MHz高精度，高稳定度的晶体振荡器

    有关数据

    超声波波速V=1450m/s

    基准时钟周期T₁=12.5ns

    “精度”时钟周期T₂=1/160M=6.25ns

    计数用二进制位数N=24

    计数范围n=2N=224=16M

    有关结果：

    精度计算T`=6.25ns<7ns（7ns达到设计要求）

    最长可计时间t=nT₁+N₁T₂（）=16M×12.5+N₁×6.25≈105×10^-3

    最大距离L=v×t=1450×105×10-3=150m

    注：位数决定最大距离

    具体算法

    将80MHz的初始时钟作为主计数器的高23位工作频率，将其分频倒相后形成两位不同相位的时钟用于解码，经译码后作为计数器最低位，以提高计数精度。两路时钟信号波形图如下页图所示，在一个时钟周期内两路信号可以有两种组合，根据这两种逻辑组合值可以判断时钟停止计数时处于时钟周期的前半周期还是后半周期部分，从而将计数精度提高到时钟频率的2倍。经证明用此方法设计的高速计数器工作稳定，完全可以达到设计要求。

    5 结语

    针对超声波应用系统易受噪声干扰以及超声波信号的空间衰减现象影响，从而要求超声波传感器工作在其最佳特性的特点，提出了采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）进行计时和产生传感器驱动控制信号的方法，将该方法应用于超声波流量计测量系统中，得到了比传统型控制电路更好的精度和控制效果。